DE102010050185A1

DE102010050185A1 - Axialturbomaschine

Info

Publication number: DE102010050185A1
Application number: DE102010050185A
Authority: DE
Inventors: Georg Kröger; Dr.-Ing. Nicke Eberhard
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-10-30
Filing date: 2010-10-30
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2030-10-31
Also published as: DE102010050185B4; DE202010017911U1

Abstract

Die Axialturbomaschine weist einen Rotor (10) mit radial abstehenden Laufschaufeln (R) und einen Stator (12) mit radial nach innen gerichteten Leitschaufeln (S) auf. Der innere Radialspalt (20), der zwischen der Schaufelspitze (19) der Leitschaufel (S) und der Nabenwelle (11) gebildet wird, hat einen wellenförmigen Verlauf mit in Strömungsrichtung (D) ansteigenden Amplitudenwerten der Minima (N1, N2, N3). Der Radialspalt (20) ist von konstanter Spaltbreite. Durch diese Ausgestaltung werden die Spaltverluste an den inneren Radialspalten reduziert. Dadurch wird eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialturbomaschine mit einem Rotor, der eine Nabenwelle mit einem Laufschaufelgitter aufweist, und einem Stator, der eine den Rotor umgebende Ringraumwandung mit einem Leitschaufelgitter aufweist, wobei das Leitschaufelgitter Leitschaufeln aufweist, die von der Ringraumwandung radial nach innen abstehen und deren Schaufelspitzen mit der Nabenwelle einen inneren Radialspalt gleichbleibender Breite bilden.
Stationäre Gas- und Dampfturbinen sowie Flugtriebwerke haben eine zentrale Bedeutung für die heutige Welt. Kraftwerke mit Gas- und Dampfturbinen sind weltweit das Rückgrat der elektrischen Energieversorgung. Der Luftverkehr nutzt nahezu ausschließlich Antriebe auf Turbomaschinenbasis.
Zentrale Ziele bei dem Entwurf moderner Triebwerke oder Gasturbinen sind die Absenkung des Brennstoffverbrauchs, des Eigengewichtes und der Baulänge sowie der Herstellungs-, Entwicklungs- und Wartungskosten. Gleichzeitig wird eine Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur und des Druckverhältnisses sowie der Komponentenwirkungsgrade angestrebt.
Die Optimierung des Gasturbinenverdichters hinsichtlich höchster aerodynamischer Leistungsfähigkeit und Effizienz stellt einen wesentlichen Beitrag für die Erreichung der Ziele dar, die den Fördermaßnahmen zugrunde liegen: Die vorhandenen Ressourcen rationell und ökologisch zu nutzen und in elektrische Energie umzuwandeln.
Mit wirkungsgradoptimierten Komponenten der Gasturbine werden die Voraussetzungen geschaffen, Kraftwerke mit maximalem thermischen Wirkungsgrad und minimalem Schadstoffausstoß zu konzipieren. Diesen Anforderungen kann nur entsprochen werden, wenn sämtliche strömungsrelevanten Bauteile eine sehr hohe aerodynamische Güte aufweisen. Dabei wird die aerodynamische Leistungsfähigkeit eines Axialverdichters nicht allein von der Güte der eigentlichen Beschaufelung sondern zu einem großen Teil von der unvermeidbaren Spaltströmung bestimmt. Konstruktionsbedingt lassen sich radiale Spalte, entweder an den Schaufelspitzen oder an den sog. Deckbändern, zwischen stehenden und rotierenden. Bauteilen nicht vermeiden.
Moderne Axialverdichterbeschaufelungen haben eine sehr hohe aerodynamische Effizienz erreicht. Mit der Tendenz zu immer höheren Profilbelastungen entsteht ein zunehmender Anteil an den Gesamtverlusten in den von Leckageströmungen dominierten, wandnahen Bereichen des Ringraums. Der Anteil kann abhängig von der Auslegung und Größe der Schaufel bzw. der Höhe des Radialspalts durchaus mehr als 50% erreichen. Eine Reduktion dieser erheblichen Verluste bewirkt somit eine signifikante Verbesserung des Gesamtverdichterwirkungsgrades. Zudem zeigen Untersuchungen, dass das Betriebsverhalten bei Teillast und damit der zulässige Arbeitsbereich und die Betriebssicherheit des Verdichters durch Optimierung der Leckageströmung insbesondere auch für transsonische Beschaufelungen verbessert werden kann.
Eine Turbomaschine, von der der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeht, ist beschrieben in WO 2010/007137 A1 (DLR). Diese Axialturbomaschine weist einen Rotor mit Laufschaufelgitter auf, wobei die Laufschaufeln mit der Ringraumwandung des Stators einen äußeren Radialspalt bilden. Die Ringraumwandung ist derart profiliert, dass sie mehrere Maxima und Minima – bezogen auf die Längsachse der Ringraumwandung – bildet. Die Amplituden der Maxima verringern sich, ausgehend von einem Hauptmaximum mit der größten Amplitude, in Strömungsrichtung. Hierdurch wird die Ausbildung von Leckage-Strömungen durch den Radialspalt, die den Gesamtwirkungsgrad der Laufschaufel stark beeinträchtigen, verringert.
Radialspalte treten nicht nur als äußerer Radialspalt an der Blattspitze der Laufschaufeln auf, sondern auch an den Naben der Leitschaufeln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Spaltverluste einer Axialturbomaschine zu reduzieren.
Eine Axialturbomaschine nach der vorliegenden Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 definiert.
Erfindungsgemäß ist der innere Radialspalt zwischen den Leitschaufeln und der Nabenwelle derart profiliert, dass er einen wellenförmigen Verlauf mit mehreren radialen Maxima und Minima aufweist. Der Nabenwelle angepasst ist die Kontur der Blattspitzen der Leitschaufeln.
Durch Verringerung der Leckage-Strömung im wellennahen Bereich der Axialturbomaschine wird die Hauptströmung weniger gestört und die Anströmung einer stromab von der Leitschaufel liegenden Laufschaufel wird verbessert. Dadurch ist eine Fehlanströmung der Laufschaufel reduziert bzw. die Laufschaufel kann eine einfachere Form haben.
Gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, dass zusätzlich zu dem inneren Radialspalt auch der äußere Radialspalt einen wellenförmigen Verlauf hat, wie in WO 2010/07137 A1 beschrieben ist.
Vorzugsweise bildet das in Strömungsrichtung gesehen – erste Minimum ein Hauptminimum und die darauffolgenden weiteren Minima sind von größerer Amplitude als das Hauptminimum, wobei die Begriffe ”Minimum” und ”Amplitude” auf den radialen Abstand von der Längsachse der Nabenwelle bezogen sind. Diese Ausgestaltung hat sich als sehr wirksam für eine signifikante Reduktion der Radialspaltverluste bei den Leitschaufeln erwiesen.
Beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind die Spitzen der Leitschaufeln analog zu den Spitzen der Laufschaufeln in WO 2010/007137 A1 ausgebildet. Dieses Dokument wird durch Verweis in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Beschreibung aufgenommen.
Der Begriff ”Axialturbomaschine” umfasst sowohl Gebläse als auch Turbinen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 den Verlauf der Beschaufelung einer Axialturbomaschine mit in Längsrichtung (Strömungsrichtung) variierender Flügelhöhe und
2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit II in 1 zur Verdeutlichung des inneren und des äußeren Radialspaltes.
Die Axialturbomaschine, deren Flügelgeometrie in 1 dargestellt ist, weist einen Rotor 10 auf, mit einer langgestreckten Nabenwelle 11, deren Längsachse mit der X-Achse von 1 zusammenfällt. Das Koordinatensystem enthält außerdem eine Radialachse r zur Identifizierung des radialen Abstands der jeweiligen Punkte von der Längsachse.
Die Maschine enthält ferner einen Stator 12, der das Gehäuse bildet. Der Stator 12 hat eine Innenraumwandung 13, die einen rohrförmigen Innenraum zur Aufnahme der Nabenwelle 11 bildet.
Von der Nabenwelle 11 stehen Laufschaufeln R in radialer Richtung ab. Die Laufschaufeln R bilden jeweils einen Schaufelkranz. Die Schaufelkränze der Nabenwelle 11 sind in axialer Richtung hintereinander mit gegenseitigen Abständen angeordnet. Zwischen zwei Laufschaufelkränzen befindet sich ein Leitschaufelkranz aus Leitschaufeln S, die von der Innenraumwandung 13 des Stators 12 nach innen abstehen. Die Laufschaufeln R und die Leitschaufeln S sind also, in axialer Richtung betrachtet, in abwechselnder Folge angeordnet.
Wie aus 1 hervorgeht, hat die Nabenwelle 11 einen konischen Verlauf, wobei sich ihr Durchmesser zum Austrittsende 15 hin vergrößert. In analoger Weise hat die Innenraumwandung 13 einen konischen Verlauf, wobei sich ihr Durchmesser zum Austrittsende 15 hin verringert. Dies bedeutet, dass die Schaufelhöhe vom Eintrittsende 14 zum Austrittsende 15 hin abnimmt.
2 zeigt in vergrößertem Maßstab eine rotorseitige Laufschaufel R und eine statorseitige Leitschaufel S. Zwischen beiden besteht ein axialer Abstand. Jede der Schaufeln hat eine entgegen der Strömungsrichtung D weisende Vorderkante 17 und eine stromabwärts angeordnete Hinterkante 18. An dem von der Nabenwelle 11 entfernten Ende befindet sich die Schaufelspitze 19.
Die Schaufelspitze 19 der Leitschaufel S bildet zusammen mit der Nabenwelle 11 einen Radialspalt 20. Dieser hat einen wellenförmigen Verlauf. Die Schaufelspitze 19 der Leitschaufel S besteht aus dem freistehenden, radial nach innen weisenden Ende der Leitschaufel. Der Radialspalt 20 hat einen wellenartigen, sich nicht abrupt ändernden Verlauf zwischen der Schaufelspitzen 19 und der Oberfläche der Nabenwelle 11. Er ist in Längsrichtung von konstanter Spaltbreite.
Die Nabenwelle 11 hat im Bereich des Radialspaltes 20 mehrere radiale Minima N1, N2, N3 und zwischen zwei Minima jeweils ein Maximum M1, M2. Der in 2 dargestellte Oberflächenverlauf der Nabenwelle ist rotationssymmetrisch. Die Maxima und Minima sind also jeweils ringförmig.
Das in Strömungsrichtung D erste Minimum N1 bildet das Hauptminimum. Das Hauptminimum ist dasjenige mit dem geringsten Radius r (bezogen auf die Wellenachse). Dann folgt ein erstes Maximum M1 und darauf folgt ein zweites Minimum N2, das radial größer ist als das erste Minimum. Schließlich folgt ein weiteres Maximum M2. Die Amplituden der Minima und Maxima steigen nach einer Funktion zweiter Ordnung an, entsprechend der Formel r = cX² + bX + C, wobei r die Amplitude, X die Position längs der Wellenachse und c, b und C Konstanten sind. Die Minima N1, N2 und N3 eines Radialspaltes 20 haben also von der Vorderkante 17 zur Hinterkante 18 immer größer werdende Amplituden.
Der radiale Abfall auf das in Strömungsrichtung erste Minimum N1 der Nabenwelle beginnt bereits vor der Vorderkante 17 der Leitschaufel S. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt das dritte Minimum N3 bereits außerhalb des Radialspalts 20, also hinter der Hinterkante 18.
Die Laufschaufel R mit dem zugehörigen Radialspalt 20 zur Innenraumwandung 13 hin ist in gleicher Weise ausgebildet wie in WO 2010/006975 A1 beschrieben. Diese Ausbildung ist invers zu derjenigen des Radialspaltes 20 der Leitschaufeln S.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Axialturbomaschine eignet sich u. a. für Gasturbinen, Flugtriebwerke, Prozessverdichter, Ventilatoren und Gebläse, Dampfdruckturbinen und hydraulische Turbinen und Pumpen. Sie bewirkt eine deutliche Reduzierung der Spaltverluste.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/007137 A1 [0007, 0015]
WO 2010/07137 A1 [0013]
WO 2010/006975 A1 [0030]

Claims

Axialturbomaschine mit einem Rotor (10), der eine Nabenwelle (11) mit einem Laufschaufelgitter (R) aufweist, und einem Stator (12), der eine den Rotor umgebende Ringraumwandung (13) mit einem Leitschaufelgitter (S) aufweist, wobei das Leitschaufelgitter aus Leitschaufeln besteht, die von der Ringraumwandung (13) radial nach innen abstehen und deren Schaufelspitzen (19) mit der Nabenwelle (11) einen inneren Radialspalt (20) konstanter Breite bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabenwelle (11) im Bereich des inneren Radialspaltes (20) einen wellenförmigen Verlauf hat, wobei in Strömungsrichtung mehrere radiale Minima N1, N2, N3 und Maxima M1, M2 der Nabenwelle aufeinander folgen.
Axialturbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Strömungsrichtung (D) aufeinanderfolgenden Maxima und Minima – bezogen auf die Längsachse der Nabenwelle (11) – ein erstes Minimum (N1) als Hauptminimum und ein darauffolgendes weiteres Minimum (N2) von größerer Amplitude als das Hauptminimum bildet, wobei die Begriffe ”Minimum” und ”Amplitude” auf den radialen Abstand von der Längsachse der Nabenwelle bezogen sind und der Begriff ”Hauptminimum” das Minimum mit der kleinsten Amplitude bezeichnet.
Axialturbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) ein Rotorschaufelgitter mit Laufschaufeln (R) ist, die von der Nabenwelle (11) radial nach außen abstehen und deren Schaufelspitzen mit der Ringraumwandung (13) einen äußeren Radialspalt (20) konstanter Breite bilden, wobei die Ringraumwandung im Bereich des äußeren Radialspaltes einen wellenförmigen Verlauf hat, wobei in Strömungsrichtung mehrere Maxima und Minima der Ringraumwandung aufeinanderfolgen, wobei die Begriffe ”Maximum”, ”Minimum” und ”Amplitude” auf den radialen Abstand von der Längsachse der Ringraumwandung bezogen sind.
Axialturbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abfall auf das in Strömungsrichtung erste Minimum (N1) der Nabenwelle (11) vor der Vorderkante (17) der Leitschaufel (S) beginnt.